CN1148889A - 应力应变测量带—测量装置及其应用以及用于此类测量装置的调制放大器 - Google Patents

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Abstract

在一个具有由至少一个DMS(应力应变测量带)(15)构成的，集成在测量传感器(1)中的DMS-部分(10)的测量装置中，一个附加电路(20)放大DMS-部分(10)的调制输出信号，并且此附加电路同样集成在测量传感器(1)中。这样获得的测量装置适用于一般的测量作业，特别是用于商业用途，诸如家用或工业系统度衡设备、包括用市售电池驱动的度衡设备中。作为附加电路可以采用调制放大器，该调制放大器由一个作为方波发生器的调制器、一个交流电压放大器和一个解调器构成，其中解调器是一个由四个电子(接通-分断)开关或两个电子换向开关组成的桥式整流器。

Description

应力应变测量带-测量装置及其应用以及用于 此类测量装置的调制放大器
本发明涉及一种测量装置，此测量装置包括至少由一个应力应变测量带构成的、集成在测量传感器中并且配置了交流电源的DMS(应力应变测量带)-部分，以及一个用于放大DMS一部分调制输出信号的附加电路。此外，本发明还涉及此类测量装置的应用以及特别是作为上述附加电路的调制放大器。
这种类型的测量装置具有很大的实际意义，因为它们可以用于商业用途、例如可以用于家用或工业系统的很多度衡设备中。
业已公开了许多测量装置，在这些测量装置上DMS集成在测量传感器中。其中，一个外部的电子电路通过一根接线电缆向测量装置馈入供电电压，通过同一根电缆接收测量信号并且将此信号放大后进行分析。这种类型的测量传感器以及测量装置通常是按照电阻测量的原理工作的。它们所利用的效应在于，一个DMS的电阻与其应变、即与其相对长度的变化成正比，而此长度变化又与作用在测量传感器上的应力成正比。其中，为了精确的进行电阻测量往往将DMS接入一个电桥电路中。
这类测量传感器的特点是输出信号、即测量信号非常小。在通常所采用的具有金属膜-DMS的测量传感器情况下，其输出信号在每1V电桥输入电压下例如只有2mV。这样小的信号在其测量和进一步处理前首先应加以放大。考虑到造价和简易起见，人们往往采用直流供电和直流放大，尽管这样作由于其它的技术限制的原因往往具有不少缺点，诸如直流电压误差(例如温差电压误差或在放大器中的偏移电压)以及在整个电路中过高的低频噪声。温差电压有可能在电阻电桥和其后所接的放大器之间必要敷设电缆的接线点处、即在那里如果只有不同的材料和温度时产生。
这些误差应保持在还可以接受的量级上、即测量信号应从这些误差电压中清楚的提取出来。为了在每1V输入电压下提供约2mV的上述输出信号，应该采取各种措施。一方面DMS-测量传感器的临界负荷通常是这样设计的、即它们在额定负荷时已经接近所用材料的疲劳限度了。其结果是过负荷潜力非常有限，所以-与相应的应用相关-必须配装昂贵的过负荷保护装置。另一方面，为了增大输出信号往往在测量传感器上加上很高的输入电压以便在其机械临界负荷之内将输出信号保持住。然而，输入电压的提高将使测量传感器-电阻、从而使整个测量装置发热。此外，高供电电压与当前电子电路的低电压要求不兼容。还有采用电池驱动的测量装置由于功耗过高几乎被完全排除在外。
上述的测量误差，如热电效应、在外部后接放大器中的噪声和温度效应目前通常可以通过附加的交流电压调制和交流电压放大技术减小。这些调制放大技术在文献资料中(例如“1993线性应用手册卷II，线性电路设计指南”(“1993 Lineer Applicationo Handbook vol.II AGuideto Linear Cireuit Design”)第1页和载有附图27和28的那一页)业已公开，但在实践中只有能够承受其复杂性和高额费用时才付诸应用。此外还要补充如下US-PS文献：4,868,411(ISHIHARA)，4,461,182(JONES，JR.ET AL)，4,213,348(REINERTSON ETAL)，4,155,263(FRANTZ)，4,064,465(GORVE)，3,965,296(ROBERTS，III)，3,665,756(RUSSELL)，3,657,660(PFERSCH)，3,617,878(SE NOUR)，3,354,703(RUSSEL，JR ET AL)以及3,224,256(HA STINGS)。
此外，在EP 0 319 176 B1(TOLEDO SCALES)中已公开，即用花费昂贵的数字方法修正DMS-测量装置的误差：非线性，测量电桥的温度效应，影响后接放大器零点和放大系数的温度效应以及此放大系数的漂移。这里，在测量传感器中集成了一个由下列部件构成的单元：一个DMS-电桥，一个接在DMS-电桥之后的放大器，一个模数变换器，一个连同存储器的微处理器装置以及一个用于电桥输入电压接通和分断的电子开关。其中，输入电压经电子开关加在DMS-电桥上并且通过一个放大器继续传送给一个模数变换器，变换器的数字化了的输出信号输入微处理器，微处理器借助于所存储的算法采用经验修正公式以及在表格中所列之修正值对信号加以修正。这样得到的数字信号由测量传感器中所集成的单元继续传送给外部的控制和处理设备。此测量装置由于其十分复杂的集成电路以及附加的微处理装置只有在贵重的度衡设备或类似设备中才获得应用。这里补充一个参考文献：技术测量(Technisches Messen)53卷(Jahrgang)，1986年第6册(Heft6/1986)第236至241页(KOWALSKI)。
此外，在文献(例如电测量技术(Elektnische Messtechnik))，E.Schrufer著，Hanser出版社，1992年，特别是第240页对243页)中公开了若干载频电桥和载频放大器。其中，一个载频发生器产生一个交流电压信号并且加在了DMS-电桥或电阻电桥上。电桥输出信号通过一个放大器-其前端和后端各连接有变压器(用于显示信号处理)-继续传送至一个解调器。其中，解调器(以转换开关的形式)中载频发生器控制。其中，变压器通过一个作为零线的中间抽头和另外两个抽头一方面产生放大了的初始交流电压信号、而另一方面产生与此符号镜像的交流电压信号。这两个信号交替地由解调器转换开关与中间抽头的零点信号一起传输至电路输出端。
交流电压放大器通常采用带有后接减法器的差分放大器(与附图5加以比较，附图5与上述schrufer所著一书的图3.20一致)。因为用于电压的测量仪器具有一个“热”输入端和一个测量零电位(通常是测量仪器的外壳)，因此用于其本征信号为两个电压u1和u2(见图5)之差的电阻电桥的放大器有两个输入端。其中，在两个输入端上的电压均参照同一个“测量零电位”。在差分放大器后面连接的减法器v3以这两个电压之差作为其输出信号u2。这样，在此差分放大器单元的输出端为参照“测量零电位”的输出电压，作为在输入端差电压的放大了的图象。
在此输出信号u2上经一个放大系数为-1的倒相器可以导出第二个负输出信号-u2。然后将这两个信号输入解调器，如上所述，此解调器采用若干参照“测量零电位”的电压工作。其中，在图5中用uOS3标志的减法器误差电压是一个不利的因素，还有必要加以抑制。此外，倒相器应以高精度工作，只有采用昂贵的电路才能实现。
上述电路技术目前仍在广泛的应用，因为它能保证测量信号顺利地加以继续处理。所得到的输出电压相对于“测量零电位”仍然是单极的，因此可以用普通的测量仪器或其它的电子电路继续处理。
然而此放大器电路的缺点在于，它们改变了差分信号的性质，  因此不能不加改变的连接在例如在工业度衡技术中常用的、为DMS-电桥差分信号配装的测量仪器前面。
这里还要补充两个参考文献：US-PS 2,625,036(COWLES)和US-PS 5,088,330(TALMADGE)。
从目前的技术现状出发，本发明的任务在于提供一种比较简单而经济的测量装置、围绕其优点的应用以及一种特别适于此测量装置的简单的调制放大器。
此任务按照权利要求1，23和24所述加以实现。
权利要求1提供了一种测量装置，此测量装置具有至少由一个DMS构成的、采用交流电压供电的DMS-部分和一个用于放大DMS-部分的调制输出信号的附加电路，其中，无论是DMS-部分还是附加电路均配装在测量传感器中。
这里，可以以简单方式在安装测量传感器时直接在测量传感器中对DMS-部分和附加电路部位的误差加以修正。以后在全部时间将对所出现的误差进行抑制。由于将DMS-部分和附加电路配装在测量传感器中，电缆接线短，从而避免较长导线所带来的负面影响。
这里，优选将DMS配装在一个电桥中。但是此电桥也可以由DMS和其它的电阻构成(权利要求2)。这个措施将提高DMS的测量灵敏度。
在第一个优选的实施形式中，附加电路主要是作为一个对称差分放大器而配装的(权利要求3)。这里可以在测量装置外部、约在一个外部的供电设备中配置一个调制器。调制的电源信号经一根电缆输入到测量装置中并且在那里作为输入电压加在DMS-电桥上。DMS-电桥的输出信号由对称差分放大器放大后加在测量装置的输出端。这里，首先有一个优点就是电缆线影响减小，因为放大器的输出阻抗远小于无源高阻测量电桥的输出阻抗。此外，对称差分放大器简化了可能误差的修正，因为所有的误差通过批量生产的电子元件可以补偿掉。这样，用于测量信号总的修正所用的费用非常小。这里，此测量装置也适用于批量生产项目。所以说此第一种实施形式是测量装置的一种特别经济的方案。
第一种实施形式优选采用外部交流电压供电(权利要求15)。其中优选的方式是附加电路额外的具有一个与外部交流电源连接的整流器以便对对称差分放大器进行直流供电(权利要求16)。这样，就可以节省掉一个用于供电电压的分立的接线端。
在第一种实施形式各个模块的优选采用的电路为：测量传感器供电电压输入端是作为交流电压输入端设计的并且相应地与DMS-电桥的输入端和整流器的输入端相连；DMS-电桥输出端与对称差分放大器信号输入端相连并且整流器输出端与对称差分放大器供电电压输入端相连；差分放大器输出端与测量传感器信号输出端相连，其中，测量传感器输入和输出端分别为两个接线点(权利要求17)。各个模块彼此特别简单的连接可以使误差小并保持测量电桥信号的差分特性，而且使测量传感器易于与外部供电和分析电路连接。
在第二种优选采用的实施形式中，附加电路是一个调制放大器，主要由一个调制器，一个交流电压放大器和一个解调器组成(权利要求4)。此附加电路的优点在于，调制信号直接在测量传感器中产生并且在那里复又解调为直流电压。这样就可以避免经从测量传感器至外部电源电路或由外部电源电路至测量传感器的电缆传导的交流电压信号受到容性或感性电缆特性的影响。此外，DMS-电路的直流电压误差可以通过调制放大器的应用有效的得到抑制。
其中，调制器优选作为电压电源连接在DMS-部分前面并且形成了一个矩形波发生器(权利要求9)。这一实施形式的优点在于利用矩形波发生器作为电压电源。此矩形波发生器可以提供在幅度上非常精确可调的输入或供电电压，如同例如普通发生器用于正弦波电压供电。尽管正弦波信号在通过长电缆线传导时在其波形上有可能不会产生形变，而仅仅是相位位移，但是其缺点在于必须采用昂贵仪器以产生幅度稳定和精确可调的信号。
同样，第二种实施形式优选采用的交流电压放大器主要是对称差分放大器(权利要求10)。一方面差分放大保持了在DMS-测量电桥输出端差分信号的特性；另一方面电子元件的对称配置显著抑制这些元件可能不够理想的特性。总之，这样就可以使交流电压放大器放大了的输出信号远没有直流成分的叠加。
优选采用的解调器主要是由四个电子接通/分断开关或两个电子转换开关组成的桥式整流器(权利要求11)。此解调器与作为调制器的矩形波发生器一起正好提供调制测量信号的简单而优质的解调。这样，用直流电压馈电并且同样提供直流电压输出信号的普通的DMS-电桥可以特别有效的保持其差分特性。
解调器优选以如下方式与调制器连接，即调制器的矩形波信号与解调器的四个电子接通/分断开关或两个电子转换开关的切换同节拍(权利要求12)。这样既可以特别简单的保持无干扰的解调并且由交流电压测试信号产生一个直流测量信号，此直流测量信号精确的模拟和放大用直流电压馈电的无源测量电桥的输出信号。这样，直至放大将向外不会出现与无源测量传感器的区别。
在测量传感器中附加电路的各分立模块和DMS-部分的优选采用的电路为：测量传感器供电电压输入端与调制器、放大器和解调器的供电电压输入端相连；调制器的输出端与DMS-电桥输入端相连；DMS-电桥输出端与交流电压放大器的输入端相连，交流电压放大器输出端与解调器输入端相连；以及最后解调器的输出端与测量传感器的信号输出端相连。其中，供电电压输入端和测量传感器的信号输出端各有两个接线点(权利要求13)。各个分立模块的这种特别简单的连接方式其优点在于误差小并能保持测量电桥信号的差分特性。
在调制放大器的一种优选采用的实施形式中，在解调器后面连接一个RC-低通滤波器(权利要求14)。此滤波器滤除有可能给开关和放大器带来不理想特性的高频电压。但是RC-低通滤波器可以配置在外部电路中。在某些情况下甚至连接测量装置和外部分析仪器的电缆线由于其感性和容性已可作为滤波器应用。
在以上两种实施形式中，在对称差分放大器的前面和后面连接热敏电阻和与温度不相关的电阻以补偿DMS-电桥和放大器的测量误差(权利要求18)。与一般采用的措施相比-以获得校正过的测量传感器-上述方法明显的简化了校正过程。通常在DMS-电桥供电电压输入端前面也接有热敏电阻。这种通用方法不能保证可靠的误差补偿。此外，各个不同的测量传感器的调节亦很费时。这类问题在上述本发明措施中不会出现。
为了补偿误差，优选在对称差分放大器的两个相对的输入端前连接一个由四个电桥支路组成的桥式电路，在桥式电路中两个电桥支路各由一个标准的和一个串联连接的、与温度相关的电阻构成。此外，在差分放大器两个相对的输入端和电阻电桥之间各连接一个电阻。然后将电阻电桥与DMS-电桥并联(权利要求19)。通过电阻电桥的并联可以特别有效的补偿DMS-电桥的零点及其温度效应。
在两个实施形式中误差补偿的另一个优选电路方案在于，对称差分放大器的两个输出端(除其余的电阻外)额外的通过热敏电阻相连(权利要求20)。这样，DMS-电桥输出信号的温度相关性得到补偿并且放大系数的漂移以简单的方法得到抑制。这种漂移往往是由于决定放大系数的若干电阻在不同温度下阻值的变化而产生的。
在两个实施形式中可以在DMS-电桥的两个供电电压输入端之前各连接一个电阻(权利要求21)，从而使得在DMS-电桥中的功耗得以整定。于是此功耗在必要时可以降低，即整个测量装置可以采用市售电池足够长时间的工作。这一措施也因此为此特别经济的测量装置打开了广阔的市场。
在两种实施形式中，测量传感器和附加电路优选彼此在空间相邻配装(权利要求5)。这样，两种实施形式提供了与外部电路不相关的补偿附加电路和DMS-电桥可能误差的优点。就是说在一个步骤中可以进行通常的零点调节以及测量传感器的温度误差校正，并且可以补偿零点和放大系数的温度相关性及其漂移。这里将测量在测量装置输出端的误差并且在一个步骤中-无论是对于DMS-电桥还是对于附加电路-加以消除或补偿。
配装了DMS-部分和附加电路的测量传感器优选模拟一个无源测量传感器(权利要求6)。其中，测量传感器优选具有四个接线端，即两个用于输入电压、两个用于输出信号(权利要求7)。这样，在测量装置外部还有四个接线点，其中两个负责DMS-电桥-和附加电路-的供电，而另两个提供(前置)放大了的输出信号。就是说，此测量传感器的用户从外部无法识别他手中的是一个无源测量传感器、即一个没有后接(前置)放大器的测量传感器还是一个本发明的测量传感器。就是说，在本发明测量传感器上可以连接所有继续处理用的外部仪器诸如所用过的那些。然而，现在传输给这些外部仪器的是一个放大了的信号。
附加电路优选作为混合结构作在导热良好的陶瓷上(权利要求8)。这样，所得到的单元可粘贴在测量传感器贴有DMS-部分的同一块金属上。于是，DMS-电桥和附加电路处于等温状态，这对于温度效应的补偿特别有益。
在两种实施形式的测量装置上可以优选后接一个模数变换器和/或一个微处理器(权利要求22)。此模数变换器可以用与数字分析仪器的接通状态，其中，变换器本身或与一个微处理器组合可以提供一个数字通信协议或者信号的预处理。
根据权利要求23所述，两种测量装置可以用于一般的测量作业，特别是商业上通用的家用秤或工业秤上。由于附加电路结构简单，所以整个测量装置只需要为数很少的电子元、器件。这一点恰恰对称量设备方面的应用特别有利，因为在这些设备上的电源采用的是市售电池。第一种实施形式特别适用于交流电压作为DMS-电桥电源的那些电学仪器上。
权利要求24提供了一个用于电桥电路的调制放大器，特别适用于上述测量装置两种实施形式中的一种并且主要包括如下的部件：一个作为方波发生器的调制器；一个交流电压放大器；  以及以一个由四个电子(接通一分断)开关或两个电换向开关组成的桥式整流器形式的解调器。此调制放大器由于结构简单所以适用作所有可以想象的电桥电路中的(前置)放大器电路，特别是要求提供价格适宜的、易于调整的稳定的以及几乎与温度不相关的放大器的情况下，此外要求放大器还要保持电桥输出信号的差值特性。此调制放大器不仅提供了调制放大器技术以及载频调制方法的许多优点，而且还可以同时利用现有的简单的直流电源和已有的放大或处理方法。
本发明的其它优点和安排将借助以下的优选实施例加以说明。在说明中将结合所附上的示意图。
图1示出带有一个外部电子电源和数据处理回路的、具有一个DMS-电桥和一个附加电路的测量传感器的电路；
图2示出具有调制放大器的一个DMS-电桥的电路图；
图3示出外部交流电压馈电的、带有一个对称差分放大器的一个DMS-电桥的电路图；
图4示出一个调制放大器的局部电路，即示出了其放大器部分和误差修正单元；
图5示出了根据目前技术水平带有后接减法器的一个对称差分放大器。
下面在全部的附图中功能相同的部分用相同的符号表示。
图1以示意图形式示出了带有一个外部电子电源和数据处理回路2的本发明测量传感器1的电路。回路2经两个接线点4a和4b向测量传感器1提供直流或交流电源。并且经两个接线点8a和8b接收其输出信号、然后加以处理。在测量传感器1中集成了一个DMS-电桥(即应力应变测量带电桥)10和一个附加电路20。主要由电桥输入端14a和14b，电桥输出端18a和18b以及作为电桥支路连接的若干DMS-电阻15组成的DMS-电桥10的结构及其在测量传感器1中的集成业已公知，所以这里不再赘述。附加电路20主要由一个调制放大器(图2所示)或由一个对称差分放大器(图3所示)构成。这种类型的放大器基本上同样是人们熟知的，但是不太了解的是其在测量传感器1中的集成及由此而实现的DMS-电桥10和附加电路20之间的大的空间接近。本发明测量传感器1和仅包含一个DMS-电桥的普通无源DMS-测量传感器的区别在于其附加电路20。
外部回路2经测量传感器1的接线点4a和4b为附加电路20提供直流或交流电源。而附加电路再经两个接线点24a和24b为DMS-电桥提供交流电源，并且同时在接线点28a和28b接收其测量信号。附加电路20处理这些测量信号并且将其经测量传感器1的两个接线点8a和8b传输给外部回路2。在那里首先测量信号可以以通常的方式借助于一个放大器9加以放大，然后进行处理。在测量传感器1和外部回路2之间的整个信号交换是通过一根传导电缆5进行的。
显然，本发明测量传感器1可以以一个普通无源测量传感器同样的方式方法连接在外部电源和信号分析回路2上。就是说，从用户的角度在无源测量传感器和本发明的测量传感器之进行更换时无需作任何的改装。此外也看不出任何区别。然而附加电路20向测量传感器1的两个接线点8a和8b提供一个放大了的信号，此信号例如比DMS-电桥10在接线点28a和28b的输出信号大10倍。在此实例中，就是说测量传感器1具有小10倍的馈电电流，好10倍的称量分辨率或大10倍的过载能力。
图2示出作为调制放大器而形成的附加电路20的优选采用的电路图。调制放大器主要由一个调制器30，一个交流电压放大器40和一个解调器50构成。在解调器50和信号输出接线点8a和8b之间还连接着一个低通滤波器60。
经接线点4a和4b输入的供电电压(见虚线所示)这里是直流电压，此电压同样经支路导线36a和36b，46a和46b以及56a和56b分别加在调制器30、交流电压放大器40和解调器50上。调制器30主要包含一个方波发生器32，此发生器由供电电压产生两个180°相移的交流电压分支。一个交流电压分支作为输入电压输入到DMS-电桥10的输入端14a，并且是经电阻35a和一个附加电路的输出端24a。另一个交流电压分支经电阻35b和另一个附加电路的输出端24b输入到DMS-电桥10的另外的输入端14b。
DMS-电桥10的两个输出端18a和18b经两个附加电路输入端28a和28b与交流电压放大器40的两个信号输入端44a和44b连接。交流电压放大器主要用作对称差分放大器，就是说主要包含着两个与电阻R2对称设置的运算放大器42a和42b。两个运算放大器42a和42b的(非取反)输入端44a和44b形成交流电压放大器40的信号输入端。运算放大器42a和42b的两个输出端48a和48b各经一个电阻R1回授给运算放大器取反输入端45a和45b并且经串联电路：电阻R1-电阻R2-电阻R1彼此相连。此对称差分放大器的放大系数为G＝1+2×R1/R2并且可以通过电阻R1和R2加以调节。运算放大器42a和42b的两个输出端48a和48b构成交流电压放大器40的输出端。在其上有一个以交流电压形式的放大了的差分信号，此差分信号在频率和相位方面与DMS-电桥10的合成输入电压相同。此差分信号传输至解调器50。
这里，两个放大器输出端48a和48b与解调器50的两个输入端54a和54b相连。按照图2所示，解调器主要由四个模拟量开关52a，52b以及53a和53b构成，这些开关将两个输入端54a和54b与解调器50的两个输出端58a和58b连接，即每一个输入端54a和54b交替的与每一个输出端58a和58b连接。这里，首先是每一个解调器输出端58a和58b与四个开关52a，52b和53a，53b中的两对开关中的一对开关52a和53a或52b和53b连接，就是说，输出端58a与开关52a和53a以及输出端58b与开关52b和53b连接。此外，每一个解调器输入端54a和54b分为两个支路，通向不同的开关对，即这四个支路和四个开关52a，52b和53a，53b彼此倒过来一一对应。四个开关52a，52b和53a，53b的切换或接通/分断开关受到调制器30的两个方波输出信号的控制，就是说，此信号也可以作为DMS-电桥10的输入电压。这里，两个调制器输出信号中的每一个信号同时在两个开关对52a，53a和52b，53b中的每一个开关对刚好驱动一个开关，致使两个由相同信号驱动的开关52a，53b或53a，52b交替的分断和接通并且相互之间总是处于互补状态。结果是解调器50形成了一个桥式整流器，在其输入端和输出端之间的连接以调制频率的节拍周期性的交换。这样，在解调器50的输出端58a和58b上有一个直流电压，其幅度与交流电压放大器40输出端48a和48b上的交流电压一致。
就是说，此电路将交流电压信号相位精确的解调为一个直流电压输出信号。
根据图2所示，解调器输出端58a和58b经过简单的RC-低通滤波器60与测量传感器1的输出端8a和8b连接。低通滤波器抑制高频电压，此高频电压是由于不完美的开关和放大器电路而产生的。此低通滤波器由串联连接的电阻62a和62b以及一个配置在其中的电容器65构成的。低通滤波器60的输出端经电容器65获得。在与低通滤波器输出端连接的测量传感器1的输出端8a和8b上的电压是一个放大了的、然而却是一个提供给本文开始所述普通的无源测量传感器的直流电压的精确摹拟：就是说，普通的无源测量传感主要只有一个带接线点14a，14b和18a，18b以及24a，24b和28a，28b的DMS-电桥。在作此比较时还要考虑到，两个电阻62a和62b应为无源测量传感器输出电阻值的一半。
原则上可以却掉低通滤波器60，或者连接外部回路2和测量传感器1的电缆线5以其电容和电感特性可以作为低通滤波器应用，或者在外部回路2中配置一个低通滤波器。
图3示出了一个测量传感器1的电路图，此测量传感器由外部用交流电压馈电并且给出交流电压作为测量信号。这里，测量传感器1具有两个馈电接线点4a和4b以及测量信号接线点8a和8b。此测量传感器仍然是主要由带有附加电路20的DMS-电桥10构成，而这里附加电路是具有附加桥式整流器70的对称差分放大器40。与图2所示附加电路相比，这里去掉了调制器30、解调器40和低通滤波器60，然而增加了桥式整流器70。在接线点4a和4b输入的、可能是调制的供电电压在内部即输送到DMS-电桥10(经其输入端14a和14b)，也输送到整流器70(经其输入端74a和74b)。整流器是由四个二极管72构成的。整流器70将经其输入接线点74a和74b获得的交流电压信号转变为直流电压，此直流电压由其两个输入接线点78a和78b加在对称差分放大器40的电源支路46a和46b上。在整流器70的两个输出接线点78a和78b后面并联一个电容器以平滑供电电压。
DMS-电桥10的两个输出端18a和18b经两个附加电路输入端28a和28b与对称差分放大器40的两个信号输入端44a和44b相连。加在交流电压放大器40两个输出端48a和48b上已放大的差分信号-如同上述实施例-是与DMS-电桥10合成输入电压具有相同频率和相位的交流电压。此输出信号经两个输出接线点8a和8b输送至测量传感器的输出端。
就是说，可以从外部将任意的交流电压信号由外部回路2加在测量传感器1上，其中，由测量传感器1的输出端将放大了的测量信号回授给外部回路2。
作为对称差分放大器40供电电压的尚缺的直流电压可以经整流器70产生，此整流器将为给DMS-电桥10馈电而加的用于交流电压放大器40的调制交流电压整流。
在图2和图3所示的两个实施形式中，根据本发明应归结为对称差分放大器40。其中，至少提供了三个优点。第一，实现了DMS-电桥差分特性的简单摹拟，如同在图2和图3中从各个分立元、器件的对称排列中所看到的。第二，-由于整个电路完全采用对称差分结构-误差显著受到抑制，这些误差例如与不够完美的电子元件有关(例如控制信号串扰到开关52a，52b和53a，53b的输出端)。第三，通过形成差分将没有作为误差电压的直流电压叠加在解调信号上。
在两种实施形式中通过若干附加的补偿电阻可以实现无源测量电桥误差的独立的补偿。图4示出了一个附加在对称差分放大器40上的电阻网络。此电阻网络主要由一个电阻桥80和三个附加的电阻R3C，R4C和87构成。电阻桥80具有两个桥输入端84a和84b以及两个桥输出端88a和88b。桥输入端84a和84b与DMS-电桥的输入端14a和14b并联。桥输出端88a经电阻R4C与运算放大器42a的取反输入端45a连接；桥输出端88b经电阻R3C和运算放大器42b的取反输入端45b连接。电阻桥80由电阻R3a，R3b和R4a，R4b以及热敏电阻85a，85b以如下方式组成，即电阻R4a形成第一桥支路，电阻R4b与热敏电阻85b形成第二桥支路，电阻R3b形成第三桥支路以及电阻R3a与热敏电阻85a形成第四桥支路。其中，电阻桥80的桥输出端88a位于第一和第二桥支路之间，而桥输出端88b则位于第三和第四桥支路之间。热敏电阻87与电阻R2串联并且与电阻R1和R2一起决定对称差分放大器40的放大系数。
这样，电阻R3a，R3b，R3c和R4a，R4b，R4c与热敏电阻85a，85b一起补偿DMS-电桥10的零点漂移，此外，热敏电阻85a，85b还能够补偿DMS-电桥10和对称差分放大器40的与温度相关的零点漂移，并且热敏电阻87还能够补偿对称差分放大器40的DMS-电桥输出信号和放大系数随温度的变化。此补偿同样用于交流或直流电源以及交流或直流放大。

Claims (24)

1.测量装置具有
a)一个至少由一个DMS(应力应变测量带)构成的、集成在测量传感器(1)中并且采用交流电压供电的DMS-部分以及
b)一个放大DMS-部分的调制输出信号的附加电路(20)；
其特征在于，
c)附加电路(20)同样集成在测量传感器(1)之中。
2.根据权利要求1所述测量装置，其特征在于，DMS-部分具有一由若干DMS构成的DMS-电桥(10)。
3.根据权利要求1或2所述测量装置，其特征在于，附加电路(20)主要是作为一个对称差分放大器(40)构成的。
4.根据权利要求1或2所述测量装置，其特征在于，附加电路(20)是作为调制放大器构成的，主要由一个调制器(30)，一个交流电压放大器(40)和一个解调器(50)组成的。
5.根据以上各项权利要求其中之一所述测量装置，其特征在于，测量传感器(1)和附加电路(20)空间位置相互靠近。
6.根据以上各项权利要求其中之一所述测量装置，其特征在于，由DMS-部分和附加电路(20)构成的测量传感器(1)摹拟一个无源测量传感器。
7.根据权利要求6所述测量装置，其特征在于，测量传感器(1)有四个接线端，即两个用于输入电压(4a，4b)并且两个用于输出信号(8a，8b)。
8.根据以上各项权利要求其中之一所述测量装置，其特征在于，附加电路(20)是作为混合结构在陶瓷上制成的。
9.根据权利要求4至8其中之一所述测量装置，其特征在于，调制器(30)前面连接着DMS-部分作为电压源并且其中特别是形成方波发生器(32)。
10.根据权利要求4至9其中之一所述测量装置，其特征在于，交流电压放大器(40)主要是一个对称差分放大器。
11.根据权利要求4至10其中之一所述测量装置，其特征在于，解调器(50)主要是一个由四个电子接通/分断开关(52a，b；53a，b)或由两个电子换向开关构成的桥式整流器。
12.根据权利要求9和11所述测量装置，其特征在于，解调器(50)与调制器(30)是这样连接的，即调制器(30)的方波信号驱动解调器(50)的四个电子接通/分断开关(52a，52b，53a，53b)或者解调器(50)的两个电子换向开关的切换。
13.根据权利要求2或4至12其中之一所述测量装置，其特征在于：
a)测量传感器(1)的供电电压输入端(4a，4b)与调制器(30)、放大器(40)和解调器(50)的供电电压输入端连接，并且
b)调制器(30)输出端(38a，38b)与DMS-电桥(10)输入端(14a，14b)、DMS-电桥(10)输出端(18a，18b)与交流电压放大器(40)输入端(44a、44b)、交流电压放大器(40)输出端(48a，48b)与解调器(50)输入端(54a，54b)并且解调器50)输出端(58a，58b)与测量传感器(1)的信号输出端(8a，8b)相连，其中
c)测量传感器(1)的供电电压输入端(4a，4b)和信号输出端(8a，8b)各有两个接线点。
14.根据权利要求4至13其中之一所述测量装置，其特征在于，调制放大器具有一个接在解调器(50)后面的RC-低通滤波器(60)。
15.根据权利要求3所述测量装置，其特征在于，采用外部交流电压供电。
16.根据权利要求15所述测量装置，其特征在于，对称差分放大器(40)附加的附加电路(20)还具有一个与外部交流电压源相连的整流器(70)以便对对称差分放大器(40)进行直流电压供电。
17.根据权利要求16所述测量装置，其特征在于，
a)测量传感器(1)的电压供电输入端(4a，4b)是作为交流电压输入端设置的并且分别与DMS-电桥(10)的输入端(14a，14b)以及整流器(70)的输入端(74a，74b)连接；
b)DMS-电桥(10)的输出端(18a，18b)与对称差分放大器(40)的信号输入端(44a，44b)以及整流器(70)输出端(78a，78b)与对称差分放大器(40)的电压供电输入端(46a，46b)连接；并且
c)差分放大器(40)的输出端(48a，48b)与测量传感器(1)的信号输出端(8a，8b)连接，其中测量传感器输入和输出端(4a，4b；8a，8b)各有两个接线点。
18.根据权利要求3至17其中之一所述测量装置，其特征在于，在对称差分放大器(40)之前和/或之后连接有热敏电阻和/或与温度不相关的电阻以对DMS-电桥(10)和放大器(40)中的测量误差进行误差补偿。
19.根据权利要求18所述测量装置，其特征在于：
a)在对称差分放大器(40)的两个取反输入端(45a，45b)的前面连接由四个电桥支路构成的电桥电路(80)；
b)在电阻桥(80)上配装有两个桥支路，每个支路各由一个标准电阻(R3a，R4b)和一个串联的热敏电阻(85a，85b)构成，
c)电阻桥(80)与DMS-电桥(10)并联并且
d)在差分放大器(40)的取反输入端(45a，45b)和电阻桥(80)之间各连接有一个电阻(R3C；R4C)。
20.根据权利要求18或19其中之一所述测量装置，其特征在于，对称差分放大器(40)的两个放大器(42a，42b)的输出端(48a，48b)附加地还连接有一个热敏电阻(87)以便对DMS-输出信号和放大系数随温度的变化进行误差补偿。
21.根据以上各项权利要求其中之一所述测量装置，其特征在于，DMS-电桥(10)的两个供电电压输入端(14a，14b)的前面各连接有一个电阻(35a，35b)。
22.根据以上各项权利要求其中之一所述测量装置，其特征在于，在测量传感器(1)输出端(8a，8b)后面连接着一个模数变换器和/或一个微处理器(2)。
23.按照以上各项权利要求其中之一所述的测量装置，适用于一般的测量作业，特别是用于商业用途，诸如家用或工业系统度衡设备，包括用市售电池驱动的度衡设备。
24.用于电桥电路、特别是用于根据以上各项权利要求其中之一所述测量装置的调制放大器，其特征在于，该调制放大器由：
a)一个作为方波发生器(32)的调制器(30)；
b)一个交流电压放大器(40)以及
c)一个由四个电子(接通-分断)开关(52a，52b；53a，53b)或两个电气换向开关构成的桥式整流器的解调器(50)组成。
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